无人机物联网仿真设计

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ANSYS不负责制造无人机，但无人机供应链上各种规模的公司需要ANSYS

多年来，无人飞行器（UAV）一直在全球军事领域大显身手，目前一跃成为情报、监视和侦查技术的新宠，不断发光发热。无人飞行器的应用范围日趋多样化，包括货物和包裹递送、偏远地区的因特网部署、紧急救援、工业资产监视（流水线系统）等不一而足，人们对于LTA（比空气轻的）飞艇、商用无人机和业余无人机的兴趣也与日俱增。无人机堪称物联网的（IoT）的缩影。各行各业的商业和技术领先者竞相挖掘无人机的巨大潜力，而在此过程中，他们需要解决物联网产品工程的几大共同挑战。

2016年2月，美国联邦航空管理局（FAA）宣布，目前在美国已注册的无人机飞行员数量要多于载人飞行器的飞行员数量。该定量统计数据反映出无人机的使用量几乎与日俱增；分析数据显示民用无人机市场在2015到2020年间的复合年增长率将达到19%。

军用无人飞行器实例

如果您是在机构中负责研发无人机系统或设计无人机组件的技术领导者，您会对无人机研发的核心工程挑战了如指掌。

解决核心工程挑战

我们与UAV和无人机公司通力合作，总结了一系列核心工程挑战。我们致力于提供量身定制的仿真解决方案，帮助他们在这些领域中实现关键业务计划。具体案例如下：

尺寸、质量、功耗与冷却（SWaP-C）

在2010年无人飞行器协会会议上，前海军作战部长Gary Roughhead上将提出了这个长期存在的设计挑战，他说道：“当我想在舰队上运用比较成熟的[无人水下航行器（UUV）]技术时，我们需要想方设法地解决UUV能源和功耗问题。”2 在此期间，随着无人机系统和相关组件的尺寸不断减小，而人们对于耐用性和功能性的要求日益增加，SWaP-C挑战就成为了亟需解决的问题。上述因素显著提高了电子、结构和热性能的相关性，因此迫切需要紧密集成的设计过程。在《ANSYS Advantage》杂志的一篇文章中，美国雷神公司的高级首席电气工程师Amedeo Larussi介绍了“雷神公司工程师如何充分利用ANSYS的集成功能……从而获取这些相关性。”

可靠性和安全性

人们对于在商业空域使用无人机的问题不断施压，因此无人机在非军事领域的应用日趋多样化。随着私人无人机的功能越来越强大（与其他航空器擦肩而过这类危险事也越来越常见），可靠性和安全性就成为了无人机行业的首要设计考虑因素。解决这类问题的关键在于无人机和基站系统中的嵌入式软件，该软件负责控制无人机对指令的反应，以及在与基站失去通信或通信受干扰的情况下无人机所采取的行动。巴西公司XMobots正在无人机和基站中的软件上实现与载人飞行器等效的安全水平（ELoS）。该公司利用ANSYS仿真解决方案研发安全关键型嵌入式软件，在短短六个月内就开发出了第二代地面控制站（GCS）显示屏。该公司研发第一代GCS时采用非仿真的手动代码生成法，耗费了整整两年时间。相比之下，研发时间锐减75%。

耐用性

军用UAV的设计标准是能够在非常严苛的环境中可靠工作，并且具有持久稳定的性能特点。尽管商用无人机的工作环境可能没有军用领域中的那样恶劣，但只有当商用无人机足够稳定可靠、具有很低的故障和维修率时，其商业模式才会欣欣向荣。为减轻无人机产品的重量以增加耐用性，工程师必须探索广阔的设计权衡空间，进而在减重后的性能提升与商业模型所需的耐用性之间取得完美平衡。Sky Dragon飞艇平台的制造商Worldwide Aeros Corp在研发LTA飞艇时，使用ANSYS仿真工具考虑航空器设计的不同物理特性，并以高度自动化的方式探索广阔的权衡空间，从而找到满足结构和功能要求的最轻设计。凭借ANSYS多物理场方案，工程师得以将新型LTA的设计速度较上一代产品提升40%。

虚拟的四旋翼无人机

ANSYS：综合仿真平台的价值

从上述客户案例中我们不难发现，工程仿真在无人机行业发展过程中的作用举足轻重。通用原子航空系统公司（Predator和相关UAV产品的制造商）的计算流体动力学与高性能计算经理Michael Ruith博士证实了这一点，他指出：“在当今的业界领先UAS [无人飞行器系统]研发过程中，工程仿真有助于工程师了解空气动力学、结构性能、电子系统、推进和热管理等方面。随着UAS不断发展、自主性提高，人们需要更详细地理解空气动力学和集成型系统级性能，工程仿真将前所未有地发挥关键优势。”

军用无人飞行器实例

物联网产品制造过程的复杂性带来了核心工程挑战，这些挑战难度不断升级，进而凸显了现有设计过程的弱势和不足。独立研究显示，上述产品的成功部署需要提高功能型工程团队之间的沟通和协作。否则就很可能导致产品延期、可靠性降低和成本超支等问题。如果没有沟通协作，制造出的产品会出现集成问题，特别是当每个团队为增加自己的安全裕量而构建和过度设计子系统时，这种情况会更加严重。

具有优秀的协作沟通传统的公司会充分利用工程仿真优势，遥遥领先于同类竞争对手。同业最佳公司使用综合仿真平台，在物理原型设计之前即可分析组件和系统级行为。这些公司的设计人员能够快速探索众多设计方案的性能，进而在成本、质量或性能方面精心优化设计。支持跨功能工程协作的综合平台可实现基于仿真的设计方法，在以下几种设计标准中介绍了该方法的众多优势。

ANSYS集成型仿真平台可帮助设计人员有效解决关键应用问题，从而设计出成功的无人机产品。具体应用包括：

天线设计和布局

无论天线是作为组件或者集成到工作环境中，ANSYS技术均可帮助用户获得准确的性能结果。根据问题规模以及所需结果，用户可从多种求解器技术中选择最适合的一款。

芯片—封装—系统设计

执行任何集成电路（IC）的电源完整性与信号完整性仿真时，工程师都需要有合适的IC噪声模型、以及封装和电路板的通道模型。

电源管理

ANSYS仿真工具可帮助您解决多种电源管理难题，其中包括优化系统的功耗和完整性。L3通信公司的ASIC设计经理Brad Bryant在谈及ANSYS的电源管理仿真工具时说道：“该工具提供的功耗估算值与实验室中测量的结果非常接近。总而言之，这个工具名不虚传。无论你有什么要求，它都能一一满足。

嵌入式软件

一些行业领先企业表示每1,000行嵌入式软件代码就包含8个程序错误。为了控制这一质量风险，进而满足更严格的软件认证标准，嵌入式软件工程师需要采用软件仿真工具和经过认证的代码生成器。ANSYS提供带有内置自动代码生成器的模型嵌入式软件研发与仿真环境，可显著加速嵌入式软件研发项目的进程。

UAV上的天线设计和布局

更多ANSYS 技术在物联网的应用敬请访问：http://t.cn/R5wUMMa

来源：Ansys

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首次发布时间：2022-08-18